Инновации в 3D-печати изнутри:Скотт ДеФеличе из Oxford Performance Materials о продвижении высокопроизводительных полимеров

Хотя полимеры общего назначения, такие как АБС-пластик и нейлон, в настоящее время доминируют на рынке материалов для 3D-печати, растет спрос на прочные функциональные материалы, способные выдерживать суровые условия окружающей среды и высокие температуры. ‍

‍

Эти материалы, известные как высокоэффективные полимеры, пользуются все большим спросом среди пользователей 3D-печати в таких отраслях, как аэрокосмическая и медицинская. Ключевые высокопроизводительные полимеры, доступные в настоящее время для 3D-печати, относятся к семейству термопластов полиарилэфиркетонов (PAEK), обладающих высокотемпературной стабильностью и высокой механической прочностью. Лишь несколько компаний на рынке в настоящее время разрабатывают такие материалы, одна из них — Oxford Performance Materials (OPM). Компания OPM, базирующаяся в Коннектикуте, уделяет особое внимание материалу PEKK семейства PAEK и разработала запатентованную технологию и устройства на основе этого термопласта. Чтобы узнать больше об OPM и ее предложениях, мы встретились с генеральным директором компании Скоттом ДеФеличе. Со Скоттом мы обсудили ключевые области применения 3D-печатного PEKK, а также тенденции и проблемы, формирующие рынок материалов для 3D-печати.

‍

Можете ли вы рассказать мне немного об Oxford Performance Materials и миссии вашей компании?

Компания Oxford Performance Materials была основана в 2000 году. Мы являемся производителем высокоэффективных термопластических материалов. Мы тратим все свое время на один конкретный полимер под названием полиэфиркетон-кетон или ПЕКК. И с 2000 года мы разрабатываем технологии на основе этого материала.

‍

‍

ПЕКК является вершиной пищевой цепи термопластика в мире термопластов. Это сверхэффективный полимер благодаря своим превосходным термическим, химическим и механическим свойствам, а также биосовместимости.

‍

Сегодня у нас есть широкий портфель интеллектуальной собственности и патентов, начиная от того, как производить PEKK на синтетическом уровне, до того, как его обрабатывать, готовить порошки для 3D-печати и как печатать этим материалом. Что касается 3D-печати, наша деятельность началась около 10 лет назад с разработки процесса селективного лазерного плавления для 3D-печати с использованием PEKK. Примерно в 2006 году мы выпустили наши первые коммерческие устройства, напечатанные на 3D-принтере, для медицинской сферы. И это было началом развития 3D-печати. В 2008 году FDA одобрило наше первое устройство — краниальный имплантат, который предназначен для конкретного пациента и распространяется по всему миру компанией Zimmer Biomet. У нас есть постоянное производство, производящее черепные и лицевые имплантаты каждый день. Мы перешли на спинальные имплантаты более трех лет назад, и эта продукция продается в партнерстве с компанией RTI Surgical. На сегодняшний день мы поставили более 70 000 спинальных имплантатов. Совсем недавно мы получили еще одно разрешение FDA на применение в спортивной медицине шовных анкеров, используемых для хирургического прикрепления мягких тканей к кости. Параллельно с этим мы разработали и проверили нашу технологию для использования в космической и оборонной промышленности и получили сертификаты, в частности, от Boeing и Northrop Grumman. С тех пор мы продали этот бизнес одному из наших стратегических партнеров, Hexcel, у которого есть значительные масштабы для его поддержки. OPM подходит к бизнесу 3D-печати не с точки зрения людей, которые, скажем, занимались прототипированием, а затем перешли к производству деталей. Мы подходим к этому с точки зрения компании, производящей передовые материалы, которая обнаружила, что их материал будет очень хорош для аддитивного производства по интересным техническим причинам. Сейчас мы вертикально интегрированы в эти предприятия и продолжаем использовать нашу платформу материалов и технологий.

‍

Как, по вашему мнению, развивалась сфера материалов для 3D-печати с годами и как вы видите эту траекторию с точки зрения затрат на материалы и разработки материалов?

3D-печать — это процесс, и то, что делает этот процесс уникальным и перспективным, — это материал, который в нем используется. Я всегда говорю людям, что можно напечатать яблоко, но потом его придется съесть. Таким образом, вам придется печатать с использованием материалов, которые обладают функциональностью для конечных рынков и конечных пользователей, представляющих интерес. Мы видели, как с течением времени, например, металлический АМ стал очень популярен по той причине, что он обладает функциональными свойствами, полезными на конкретных конечных рынках. Я думаю, что эта тенденция будет продолжаться. Материалы – полимерные, металлические и другие – будут продолжать развиваться, чтобы обеспечить большую функциональность на рынках конечного использования, независимо от того, какие это рынки. Что интересно в отношении стоимости, так это то, что всегда велись дискуссии типа «О, материалы слишком дорогие». Я утверждаю, что по мере того, как вы выходите на конечные рынки с более высокими характеристиками и материалы становятся более функциональными, сами затраты на материалы фактически становятся менее значительными. Например, мы продаем ортопедические имплантаты, а когда мы продаем черепной имплантат в больнице, этот имплант можно продать за 10 000 долларов. Но когда мы смотрим на стоимость того, что мы делаем, стоимость материалов на самом деле составляет довольно небольшую часть затрат. Остальное — это качество и нормативные требования, производственные системы, которые необходимо иметь для продажи на строго регулируемом рынке, будь то биомедицинская, космическая, оборонная или полупроводниковая промышленность. Таким образом, поскольку отрасль продолжает переходить от производства прототипов к продуктам конечного использования, характеристики материала становятся критически важными, а стоимость материала становится менее определяющей.

‍

Можете ли вы рассказать о других отраслях, помимо медицинской, которые могут извлечь выгоду из разрабатываемых вами материалов для 3D-печати?

‍

Комплексный структурный компонент OXFAB® ESD для системы оживления воздуха Boeing CST 100 Starliner [Изображение предоставлено OPM]

‍

Мы начали с очевидных областей:биомедицины и аэрокосмической отрасли, потому что у нас есть давний опыт обслуживания этих рынков. Но теперь мы поднимаем голову и осматриваемся в других областях. Конечные рынки очень требовательны к характеристикам наших материалов. Например, наш материал ПЕКК любит кислую и щелочную среду, и именно к этому мы стремимся с точки зрения окружающей среды. Итак, одна из областей, за которой мы очень внимательно следим, — это, например, улавливание углерода. Улавливание углерода — это технология, которая работает сегодня, но капитальные затраты на эти заводы слишком высоки. Итак, мы посмотрели на эту область и обнаружили, что в ней есть много возможностей для наших материалов и 3D-печати. Вскоре мы объявим о сотрудничестве с одной из ведущих правительственных лабораторий США в этой области. Нам также нравятся фармацевтические процессы и области биотехнологий, где вам нужен материал с соответствующими свойствами нашего полимера, чтобы повысить эффективность процесса и снизить капитальные затраты. Очевидно, что в нынешней ситуации с COVID-19 необходимо масштабировать некоторые из этих процессов, и вам нужно иметь много сложных структур и подходящие химические вещества высокой чистоты для практики в этой области. Мы тоже очень внимательно за этим отслеживаем. Класс полимеров поликетонов выполняет очень интересную работу. Мы потратили много миллионов долларов на изучение характеристик наших деталей, напечатанных на 3D-принтере. Вот почему наши части — это летающие пилотируемые космические корабли, поэтому в человеческом теле у нас тысячи частей. Это потому, что мы проделали исчерпывающую работу по описанию того, что мы печатаем, для удобства людей, которые очень серьезно относятся к тому, что эти структуры делают на практике.

‍

Как выглядит процесс разработки и тестирования материалов для 3D-печати?

Обычно есть две части. Когда мы разрабатываем материал и процесс, мы проходим внутреннюю оценку, которая обычно варьируется от аналитических методов, которые мы разрабатывали на протяжении многих лет, до довольно традиционных механических, термических и электрических проверочных испытаний, которые проводятся на уровне разработки. Когда у вас есть базовый уровень и вы говорите:«Да, это воспроизводимый продукт, и мы это понимаем», вы получаете первую базу. Затем, чтобы вернуться домой, вам придется посетить каждую отрасль, будь то печать, литье, механическая обработка или какой-либо другой технологический процесс. В каждой отрасли есть известные способы понимания производительности, будь то стандарт ASTM, стандарт ISO, стандарт конкретной компании или государственный стандарт. У нас есть хороший пример в аэрокосмической отрасли. После того, как мы проделали всю эту работу и убедились, что у нас есть стабильный и повторяемый процесс, нам пришлось сделать что-то, что было стандартом MIL 17, который приводит к статистической оценке производительности с очень высокой предсказуемостью, и это называется B-Basis. Но одна только эта программа длилась несколько лет и потребовала миллионы долларов. Мы сделали это в сотрудничестве с НАСА и Northrop Grumman, так что это была довольно исчерпывающая оценка для конкретной отрасли. В биомедицине, если мы возьмем наши спинальные имплантаты, они сначала прошли исчерпывающую серию тестов ISO 10993, которые действительно оценивают биосовместимость и чистоту. Как только вы установите флажок «Хорошо, напечатанный материал чист, биосовместим и не токсичен», тогда мы хотим использовать его в спинальном имплантате. В рамках стандарта ASTM F2077 предусмотрена целая серия механических испытаний, специфичных для спинальных имплантатов. Когда вы справитесь с этим, вы сможете отправить эти данные в FDA. Итак, вам нужно сначала провести собственное внутреннее тестирование, чтобы освоиться, потому что другие режимы тестирования очень дороги. И вы не захотите этого делать, если у вас нет полной уверенности, что вы пройдете эти тесты. Это касается любого конечного рынка, особенно нашего класса материалов. Для технических материалов стандарты ниже, поскольку риск, связанный с внедрением их для конечного использования, ниже.

‍

Известно, что в некоторых областях применения полимеры используются для замены металлов. Можете ли вы поделиться примерами того, как высокоэффективные полимеры смогли заменить металлические материалы?

Возвращаясь 30 лет назад, мы стали свидетелями устойчивого развития полимерных материалов, заменяющих металл.  Если бы вы покупали машину в 1970-х годах, машины весили бы вдвое больше, чем машины сегодня, и почти все было бы металлическим, а если бы вы купили пылесос, он был бы сделан из металла. Если вы возьмете эти штуки, они составят лишь небольшую часть веса и в основном состоят из пластика. Таким образом, эта тенденция замены металлов полимерами для различных функциональных возможностей очень хорошо известна. 3D-печать — это еще один процесс, с помощью которого вы можете заменить металлы, а причинами замены металлов являются стоимость, вес и коррозия. Мы постоянно ищем возможности замены металла, чтобы снизить затраты для людей, уменьшить вес и повысить эффективность устройств. Хорошим примером этого являются спинальные клетки, устройства для слияния, которые соединяют позвоночник вместе, если у вас хроническая боль. Раньше эти устройства изготавливались из обработанного титана, а теперь мы печатаем их с помощью PEKK.

‍

Другой пример — черепные имплантаты, изготовленные из титана, напечатанного на 3D-принтере. Сегодня мы делаем их из PEKK, напечатанного на 3D-принтере. Когда мы смотрим на некоторые аспекты улавливания углерода, мы видим именно это:замену очень дорогой обработанной нержавеющей стали или титана на 3D-печатный PEKK. Таким образом, идея перехода от металлов к полимерам уже довольно давно является мегатенденцией в отрасли. В последние годы этот процесс ускорился, и теперь 3D-печать стала частью этой более широкой истории, включая такие области, как нефть, газ и транспорт, где у нас есть проекты ранней стадии разработки с отраслевыми партнерами.

‍

Говоря о тенденциях, видите ли вы какие-либо тенденции в сфере материалов для 3D-печати?

‍

[Изображение предоставлено:OPM] [/caption] Что касается металла, мы видим, как люди пытаются придать металлическому АМ более известную и предсказуемую морфологию. Я не хочу вдаваться в технические подробности, но 3D-печать металлом не является моральным эквивалентом необработанного, кованого или литого металла. Это другой зверь. Когда эта индустрия впервые стала очень популярной, вокруг нее было много путаницы. Со временем люди поняли, что это другое животное. И теперь они работают над технологиями материалов и процессов, которые в некотором роде сделают металлический АД более традиционным. Я думаю, это существенно продвинет металл-АМ. Что касается полимеров, то сейчас наблюдается общая тенденция обслуживать конечные рынки полимерными АМ. Двумя доминирующими материалами для этого являются нейлон 11 и нейлон 12. Это технические материалы, и они находятся в середине полимерной пирамиды. Однако их конечное использование ограничено. Они не особенно термически и механически прочны. Теперь люди начинают понимать, как двигаться вверх по пирамиде. Мы начинаем видеть, как такие компании, как BASF, представляют Nylon 6, который обеспечивает немного большую производительность. Я думаю, что мы продолжим наблюдать эту тенденцию, когда все больше материалов будет занимать промежуточное положение между OPM, PEKK и другими материалами в середине пирамиды производительности.

‍

С другой стороны, какие проблемы, по вашему мнению, все еще стоят перед сектором материалов для 3D-печати?

Это фундаментальный вопрос. Когда много лет назад мы начали изучать 3D-печать, мы задумывались над тем, обладает ли наш полимер основными свойствами для 3D-печати? И этот вопрос сводится к признанию того, что 3D-печать — это процесс консолидации с нулевым давлением. Когда вы формуете полимер, вы помещаете его в форму, сжимаете все вместе и получаете консолидацию. Это приводит к предсказуемым характеристикам и хорошим механическим свойствам. 3D-печать не обладает таким достоинством. При 3D-печати вы получаете консолидацию при низком давлении или консолидацию при нулевом давлении, как в процессе FDM, где нить плавится и укладывается друг на друга. В этом процессе вы получаете до 10 процентов пустот, а в моем мире пустоты — это плохо, потому что они означают, что деталь ненадежна. Это отлично подходит для прототипа, но вам не захочется от него зависеть. Еще есть процессы с порошковым слоем, такие как OPM, где лазеры плавят один слой порошка поверх другого, но давления нет. Чтобы получить повторяемые характеристики в таких средах, вы полагаетесь на полимер, который любит прилипать к самому себе. Если полимер плохо сцепляется, вы получите плохую производительность в направлении Z. PEKK действительно уникален в этом отношении, поскольку он способен прилипать к самому себе. Это довольно необычно в мире полимеров. Отвечая на ваш вопрос, скажу, что тормозило развитие принципиально новой химии. Если вы сегодня пойдете в одну из крупных химических компаний и спросите:«Можете ли вы разработать полимер специально для такой способности прилипать к себе?» Они посмотрят на вас смешно, потому что ваш бюджет составляет миллиард долларов и несколько лет на разработку новых полимеров. Это большое дело. Если бы вы пошли и спросили консультанта компании по производству полимеров, сколько по-настоящему новых химических продуктов было разработано за последние 20 лет, вы, вероятно, отложили бы это на одну сторону, потому что эти инвестиции очень значительны. А корпоративная Америка просто не слишком часто испытывает аппетит к этим вещам. Так что это большая проблема, и, честно говоря, я не думаю, что многое из этого произойдет.

‍

Считаете ли вы, что это изменится или изменится в ближайшие месяцы и годы?

Новые материальные платформы, основанные на новой новой химии? Я не думаю, что это произойдет. Это очень далеко. Технологические процессы будут развиваться, и люди будут модифицировать существующие наборы материалов с помощью других уникальных наполнителей, добавок, улучшающих совместимость, а также химикатов для проклейки, чтобы улучшить ситуацию. Так что я думаю, что именно здесь все станет интереснее.

‍

Что ждет OPM в предстоящем году?

Нам очень повезло, что мы находимся в той части этой отрасли, где на данный момент мы не полагаемся на контракты на НИОКР или венчурный капитал. Мы находимся в части «экономики потребностей». Несмотря на то, что, пройдя этот первый этап пандемии COVID, мы увидели, что доступность больниц снизилась до обслуживания и отказалась от плановой хирургии, мы уже начинаем видеть, что бизнес начинает возвращаться. Это было болезненно для любого бизнеса, но имеющиеся у нас базовые технологии позволят нам продолжать расти. Мы только сейчас представляем наш продукт для фиксации шовного материала, который представляет собой новую линейку более дешевых продуктов, и даже с учетом COVID у нас будет возможность вывести его на рынок.

‍

Мы также нацелены на новые рынки. Нам нравится рынок улавливания углерода, другие отрасли промышленности и рынок биофармацевтических процессов.

‍

Я думаю, что COVID-19 в некотором смысле привлекает больше капитала и требует большей эффективности на рынках, для которых мы естественным образом подходим, учитывая характеристики наших материалов.

‍

Есть какие-нибудь заключительные мысли?

Единственное, что я бы сказал, это то, что именно в это время есть существенные возможности.

‍

Я думаю, что как компания, занимающаяся 3D-печатью, мы пытаемся продвигать технологии, которые действительно повышают ценность. В трудные и трудные времена, как сейчас, люди начинают искать способы снизить затраты и выйти на новые рынки. Руководители приходят к своему техническому директору и говорят:«Эй, что у тебя есть для меня?» Нам нужно что-то новое».

‍

Так что, если у вас действительно есть что-то существенное, а не просто еще один способ создания прототипа, если у вас есть что-то, что существенно меняет направление развития технологий, сейчас вас будут хорошо слушать. Мы видели это в нашем бизнесе, когда в некоторые двери мы стучались в прошлом, люди не были готовы это услышать. И теперь мы начинаем получать обратные вызовы, которые говорят:«Эй, расскажите нам о том, где мы можем сэкономить немного денег или сделать что-то более эффективно». Поэтому я бы посоветовал читателям не впадать в отчаяние, если у них есть настоящие технологии. Это действительно меняет игру. Это интересное время.